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Control
genético del desarrollo
Organismos multicelulares
Cada célula de un organismo multicelular expresa un
conjunto de genes.
Ej:
- α-tubulina: necesaria para la formación de microtúbulos
- opsinas: necesarias para la fototransducción
Organismos multicelulares
Los organismos multicelulares comparten muchos genes y
muchos mecanismos de señalización molecular
involucrados en el desarrollo del zigoto a adulto.
El desarrollo presenta dos sucesos
Determinación: se fija el destino específico de desarrollo de
una célula.
Células madre (stem cells) no se ha desencadenado la
determinación hacia un tipo celular particular.
Diferenciación: la célula alcanza su forma y función final.
¿Se pierde información genética?
Experimentos de clonación
El material genético no se altera, ni tampoco se
pierde de forma irreversible
El desarrollo está dado por la expresión
selectiva de los genes
Clonación de plantas
1950, F. Steward: disgregado de floema de raíz de
zanahoria.
1 célula cultivada = 1 planta completa, comestible
El material genético no se pierde, ni se altera en forma
irreversible durante el desarrollo.
Clonación de vertebrados
Rana pipiens (1952, Briggs y King) y Bufo arenarum (60s)
Ovocito enucleado
Núcleo de blastocisto
El material genético no se pierde, ni se altera en forma
irreversible durante el desarrollo.
1996, Roslin Institute: se transfiere núcleo de célula
diferenciada de animal adulto
Somatic cell nuclear transfer
madre
Dolly sustituta
Acortamiento de telómeros
¿edad de la donante?
Clonación de mamíferos
Control genético del desarrollo
Óvulo fecundado
Cigoto
Divisiones nucleares
Células embrionarias iniciales totipotentes
Destino celular específico: determinación
Control genético del desarrollo en Drosophila
Estudio de mutantes
del desarrollo
Control genético del desarrollo en Drosophila
Fecundación
Múltiples divisiones del núcleo sin
división celular= cél. multinucleada
los núcleos migran a la periferia
capa de células en la periferia del
embrión, por invaginación de la mb
celular
Grupos de genes que controlan el desarrollo
en Drosophila
Genes Estadío del desarrollo
de polaridad del huevo principales ejes del cuerpo
de segmentación número y polaridad de los
segmentos del cuerpo
Homeóticos estructuras del adulto en cada
segmento
Control genético del desarrollo en Drosophila
Morfógenos: proteínas expresadas durante el desarrollo.
Se establecen gradientes de concentración que afectan
el destino de la región en que se encuentran
Polaridad y dirección del huevo por distribución
asimétrica de morfógenos en el citoplasma
Polaridad del huevo: Determinación del eje dorsoventral
Gen Dorsal:
-Expresión durante el desarrollo del
óvulo
- Distribución asimétrica de la proteína
en el citoplasma del embrión
- Dorso: en citoplasma
- Vientre: en núcleo
Polaridad del huevo: Determinación del eje dorsoventral
Gen Expresión Acción
dorsal óvulo regula expresión twist y
decapentaplegic
cactus óvulo ancla prot. Dorsal al citoplasma
toll óvulo disocia Cactus y Dorsal ingresa
al núcleo
twist embrión desarrollo de tejidos ventrales
decapentaplegic embrión desarrollo de tejidos dorsales
Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior
Gradiente de concentración de morfógenos
ARNm de bicoid en óvulo
Se traduce luego de la fecundación
Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior
Gradiente de concentración de morfógenos
ARNm de nanos en óvulo
Se traduce luego de la fecundación
Polaridad del huevo: Determinación del eje anteroposterior
Gradiente de concentración de morfógenos
Bicoid: Hunchback Nanos: Caudal
Caudal Hunchback
formación estrs. anteriores formación estrs. posteriores
Segmentación
Genes de polaridad del huevo
Genes gap
Genes de regla de pares
Genes de polaridad segmentaria
Genes de
segmentación
Segmentación en Drosophila
Transcripción luego de la fecundación
Bajo control de bicoid y nanos
Información posicional para las células del embrión
Número y orientación de los segmentos
Acción de manera secuencial
Segmentación
Grupo de genes Acción Genes (ej.)
Genes gap división en grandes hunchback, Krüppel, giant,
regiones de segmentos tailless. Son factores de transcr,
adyacentes y control
genes de regla de pares
Genes de la regla de división en segm. hairy, fushi tarazu, odd paired, even
pares alternados y control paired, skipped paired
genes de polaridad muchos fact.transcr.
Genes de polaridad polaridad de los engrailed, wingless, patched,
segmentaria segm. individuales hedgehog, fused
definición de identidad algunos son fact.
celular en cada segm. transcr.
Segmentación: genes de la regla par
Even skipped: represión transcripcional en segmentos
impares
Fushi tarazu: activador de transcripción en segmentos pares
El embrión queda dividido en bandas verticales alternadas:
establecen los límites de los segmentos del adulto para la
correcta diferenciación.
Genes homeóticos (Hox)
- determinan las estructuras del adulto en cada
segmento
- codifican proteínas que se unen al ADN y activan
otros genes= factores de transcripción
- el dominio de unión al ADN es la caja homeótica u
homeobox: secuencia conservada que codifica 60 aa.
= tipo hélice-giro-hélice
Genes homeóticos (Hox) en eucariotas
Secuencias homeóticas en todas las
especies animales con plan corporal
segmentado. No en poríferos:
Hallazgo de genes con cajas homeóticas
en nematodes, coleópteros, equinodermos,
vertebrados.
También en hongos y plantas.
Conclusión: aparición temprana de la caja
homeótica en la evolución de los eucariotas
Genes homeóticos en Drosophila
2 grupos de genes homeóticos:
Complejo Antennapedia: desarrollo de cabeza y
segmentos anteriores del tórax
Complejo Bithorax: segm. posteriores del tórax y abdomen
Genes homeóticos en Drosophila
Activados por los genes de segmentación.
Todos localizados en cromosoma 3, se activan en
orden secuencial
Genes homeóticos en Drosophila
Antennapedia:
Alelo normal = determina la pata
en el 2do segmento torácico.
Antp = mutación dominante con
ganancia de función, formación
de una pata en la cabeza, en
lugar de la antena.
++ Antp
Genes homeóticos en Drosophila
Bithorax
Genes hox en vertebrados
En vertebrados 4 grupos de genes Hox:
Homología de genes homeóticos
Cascada de regulación genética
Genes de polaridad del huevo
Genes gap
Genes de regla de pares
Genes de polaridad segmentaria
Genes homeóticos
Morfogénesis
Efecto materno
segmentación
Modelo de desarrollo embrionario:
Danio rerio
- Embriones transparentes:
permite observar al
microscopio los estadios del
desarrollo, las primeras
divisiones celulares y la
formación de las capas
embrionarias (ectodermo,
mesodermo y endodermo)
Modelo de desarrollo embrionario:
Danio rerio
- Ciclo vital corto: 3 meses
- Desarrollo rápido:
- a las 24 horas se
aprecia la segmentación
- a los 5 días se
formaron los ojos y oídos
-100-200 huevos por pareja
por semana
Modelo de desarrollo embrionario:
Danio rerio
Técnicas:
- localización de proteínas “in vivo” por GFP
- apagado específico de genes por ARN antisentido
- ablación y transplante de células
- mutagénesis
Modelo de desarrollo embrionario:
Danio rerio
Mutagénesis:
- Christiane Nüsslein-Volhard: por
mutagénesis química obtuvo 1200
mutantes que afectan el desarrollo (Nobel
1995)
Modelo de desarrollo embrionario:
Danio rerio
Mutagénesis:
- Nancy Hopkins: mutagénesis
insercional con retrovirus
Obtuvo 50.000 mutantes, 500 de ellos
para genes de desarrollo
El caso de los peces tetra ciegos
Astyanax jordani Astyanax mexicanus
(aguas subterráneas) (aguas superficiales)
Tienen el mismo conjunto de genes para la formación
del ojo. Se diferencian sólo en la expresión génica
El caso de los peces tetra ciegos
Sobreexpresión de dos genes regulatorios:
SHH=Sonic hedgehog (organogénesis)
TWHH=Tiggy-winkle hedgehog
(señalización)
Apoptosis del cristalino Sega 1991
Apoptosis
1972 (Kerr) Muerte celular programada
Esencial para moldear tejidos y órganos durante el
desarrollo embrionario.
Comprende:
- degradación del núcleo
- reducción del citoplasma
- fagocitosis por otras células
Apoptosis: diferencias con necrosis
Apoptosis
Se activa en caso de:
- reestructuración de tejidos
- cambios hormonales
- infecciones virales (defensa)
- daño en el ADN (evita perduración de mutaciones)
- enfermedades neurodegenerativas
Se inactiva en caso de:
- mutación de genes involucrados
- procesos oncológicos
Apoptosis
Procaspasas (actividad de proteasa)
Caspasas activas
Degradación de proteínas esenciales
Desarrollo en mamíferos
Para el desarrollo normal de un mamífero se requiere el
óvulo y el espermatozoide.
¿Por qué?
Efecto del Imprinting
2004: T. Kono, óvulo sin imprinting materno + núcleo
de neurona olfativa femenina
Para el desarrollo normal es necesario que se expresen
determinados genes femeninos y que sus homólogos
masculinos no se expresen. Y viceversa
Ifg2 se expresa sólo en machos
Efecto del Imprinting
Kaguya 輝夜, Universidad de Agricultura, Tokyo
Kaguya deriva de dos hembras diferentes
Efecto del Imprinting
Kaguya 輝夜, Universidad de Agricultura, Tokyo
Kaguya Hime no monogatari
de Isao Takahata
Control genético de desarrollo en las plantas
Control genético de desarrollo en las plantas
Modelo Arabidopsis thaliana:
desarrollo de órganos florales a partir de 4 verticilos
Verticilo 4
Verticilo 3
Verticilo 2
Verticilo 1
Control genético de desarrollo en A. thaliana
Identidad de verticilos del meristema floral
carpelos
estambres
pétalos
sépalos
Control genético de desarrollo en A. thaliana
3 clases de genes homeóticos
Clase A: verticilos 1 y 2
Clase B: verticilos 2 y 3
Clase C: verticilos 3 y 4
Son factores de transcripción que regulan la expresión de otros
genes
Control genético de desarrollo en A. thaliana
Identidad de las partes de la flor
C verticilo 4: carpelo
B + C verticilo 3: estambres
A + B verticilo 2: pétalos
A verticilo 1: sépalos
Control genético de desarrollo en A. thaliana
Identidad de las partes de la flor
Inactivación de genes A = activación de genes C
- v1= carpelos (no sépalos)
- v2= estambres (no pétalos)
- v3= estambres
- v4= carpelos
Control genético de desarrollo en A. thaliana
Identidad de las partes de la flor
Inactivación de genes B: activación de genes A y C
- v1= sépalos
- v2= sépalos (no pétalos)
- v3= carpelos (no estambres)
- v4= carpelos
Control genético de desarrollo en A. thaliana
Identidad de las partes de la flor
Inactivación de genes C: - activación de genes B
- v1= sépalos
- v2= pétalos
- v3= pétalos (no estambres)
- v4= sépalos (no carpelos)
Control genético de desarrollo en A. thaliana
- 3 clases de genes de la familia de genes con caja
MADS (MCM1, AGAMOUS, DEFICIENS, SRF)
- codifican factores de transcripción
- comparten 1 dominio de unión al ADN, sec. de 58 aa
- los genes MADS existen en animales y los genes
homeobox existen en plantas, pero no dirigen el
desarrollo de estructuras del adulto
Control genético de desarrollo en A. thaliana
3 clases de genes MADS
Clase A: genes APETALA1 y APETALA2
Clase B: genes APETALA3 y PISTILLATA
Clase C: gen AGAMOUS